家庭網絡的目標是將一個家庭中的各種信息家電（如數字電視、游戲機、PDA等）及其它控制設備（如電表、水表、汽表、能源自動控制、保安系統等）通過網絡連接為一個小范圍的局域網，以便集成控制網和信息網的服務，即解決“最后10米的問題”，它主要包括家庭網絡的聯網技術和接人技術兩部分內容。由于未來家庭內部將會有多個信息設備（包括電腦、信息家電和控制設備）同時聯入Internet，為降低家庭用戶管理和維護的復雜性，一般不可能為每個信息設備都提供一個Internet出口，而且在目前沒有一種主導聯網解決方案的情況下，要解決各種信息設備之間的互聯和互操作問題，通常在考慮家庭網絡的組成時，往往會設置一個家庭網關。家庭網關是家庭區域網的關鍵設備，它可使家庭中的信息設備相互通信，并可通過同一個Internet高速管道實現集成的語音、數據和視頻服務。

1 基于HHBF561的家庭網關技術

家庭網關平臺主要完成網絡協議的轉換和處理，包括MPU，RAM、ROM、多種網絡接口及外設接口、RTOS、網絡通信協議和應用軟件等。家庭網關是一個家庭專用設備。與實現網關功能的普通PC機相比，傳統的操作系統往往不夠穩定，易用性較差。而作為提供關鍵功能（如安全可靠）的網關。專用設備則在性價比上存在較大優勢。考慮到家庭網關的靈活性、可移植性，本文基于HHBF561開發板，并采用主流家庭聯網技術和接入技術，來對家庭網關進行如下定義：

（1） 網關是一個協議轉換器，是一種可以對數據格式。傳輸速率和媒體驅動方式等協議的轉換和通信轉發的設備。

（2） 設備資源管理器必須有一個I/O設備，通常應由一個輸入裝置（鍵盤，鼠標或話筒等）和顯示裝置組成，并應能解釋設備描述文件。

（3） Web服務器應具有瀏覽器功能，可以將設備配置管理文件轉換成操作頁面，并具有用超文本傳輸協議HTTP發送的能力。

（4） 網關還應該是一個防火墻，應能保證家庭網絡的信息安全。

2 基于HHBF561平臺的軟件開發

整個開發系統包括硬件開發板、底層軟件支持庫、驅動程序、操作系統和上層應用程序。這里以實現可視VoIP網關為例對其進行詳細介紹。

在網關軟件的整體結構中，網關的上層應用包括最主要的控制部分程序，主要負責控制SIP核心協議棧SIP和RTP/RTCP核心協議棧的正常運轉。同時控制芯片工作以完成IP網側和PSTN網側協議的相互轉換。而其它部分軟件由于各自的功能比較集中，因而可單獨模塊化實現。而整個軟件運行的基礎則是嵌入式操作系統。

2.1 μClinux操作系統

Linux是一種很受歡迎的操作系統，它與U-NIX系統兼容，并具有開放的源代碼。它原本被設計為桌面系統，現在則廣泛應用于服務器領域。Linux更大的影響在于它正逐漸的應用于嵌入式設備。μClinux正是在這種氛圍下產生的。在μClinux這個英文單詞中，μ表示Micro（小的意思），C表示Control（控制的意思），所以uClinux就是Micro-Control-Linux，字面上的理解就是針對微控制領域而設計的Linux系統。

μClinux的一大特點是它沒有MMU（Mem-mory Management Unit，內存管理單元），它是針對沒有MMU的CPU而設計的，并專為嵌入式系統做了許多小型化的工作。雖然μClinux不能使用處理器的虛擬內存管理技術，但出于移植簡單和盡量靠攏標準Linux的需要，μClinux仍然沿用標準Linux的分頁內存管理結構。系統在啟動時將對實際存儲器進行分頁，它實際上采用的是實存儲器管理策略。μClinux系統對于內存的訪問是直接的，它對地址的訪問不需要經過MMU，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。該操作系統對內存空間沒有保護，各個進程實際上共享一個運行空間，而沒有獨立的地址轉換表。一個進程在執行前，系統必須為進程分配足夠的地址空間，然后再全部載入主存儲器的連續空間。

2.2 μClinux的移植

由于向一個新的平臺上移植μClinux會涉及到很多文件，但是最主要的還是要使uClinux在指定的平臺上正常啟動，其它與平臺相關的文件可以在進一步開發過程中再進行修改，我先分析一下在啟動過程中都有哪些文件和具體硬件平臺相關，再修改相應文件，以便一步一步地完成系統的移植工作。

2.3 Bootlaoder

Bootlaoder在沒有操作系統支持的情況下，便可構建最簡單的軟件運行環境，并可將其保存在BOOTROM中，這樣，系統上電就能直接運行，從而實現簡單命令行控制和網絡通訊功能。該開發板可從上位機通過tftp下載操作系統，并提供gdb調試，同時可以在此軟件平臺上搭建脫離操作系統的應用程序。Bootloader的啟動模式要求其能夠實現自動加載功能。這可借鑒vxworks中的啟動方式，即可啟動之初有一小段時間等待用戶輸入，一旦用戶輸人就進入下載模式。下載模式可提供手動下載和內存監控功能。

2.4 TCP/IP網絡協議棧

通過家庭網關可使網絡與各種信息設備相連，相互交互進行工作，但需要支持多種協議。物理層和數據鏈路層協議主要包括UWB協議和Cable Modem鏈路控制協議；網絡層和傳送層協議主要包括ARP、RARP、ICMP、DHCP Client/Server/Proxv、PPP、TP、DNS、RIP V1.0/V2.0、TCP、UDP等協議；應用層協議主要包括TFTP、TFLNET、STMP、IMAP4、POP3、HTTP和SNMP等協議；安全協議可以采取一些較為簡便的安全措施，如包過濾、NAT/PAT及多層次口令保護等。上述協議是家庭網關中可能用到的最大協議集合。實際上，在開發具體產品時，可根據應用情況和產品配置情況進行合理的裁剪。

3 基于HHBF561平臺的硬件設計

本文給出了兩種硬件設計方案，分別為IPTV機頂盒解決方案和可視VoIP解決方案。

3.1 IPTV機頂盒解決方案

在該方案中，32位RISC MCU負責運行嵌入式Llinux，以進行無線局域網/以太網傳輸、硬盤存儲、音頻編解碼、文件管理以及控制處理等。MCU從網絡接收到的媒體流可以存儲到硬盤或者通過SPI接口（速率可達12 Mbps）傳給BF533，然后由BF533負責H.264@D1格式的視頻編解碼。該產品可實現的功能如下：

（1）支持H.264@D1格式的視頻播放；

（2）支持PCMCIA+802.11b無線接入；

（3）支持IrDA紅外遙控；

（4）支持100Mbps以太網；

（5）支持硬盤存儲；

（6）實現VGA/S port/CVBS視頻輸出和立體聲音頻輸出；

（7）支持PS2鍵盤輸入。

3.2 可視化VoIP解決方案

目前，ARM9系列的處理器在手持終端（如PDA、Smart Phone、PMP）產品上已經有了非常廣泛的應用。而實際上，它在可視電話上也有非常明顯的優勢。因此，設計一個基于BF533和ARM9（400 MHz） MCU的可視VoIP電話方案是非常可行的。

該方案通過使用ARM9+BF533以及相關的軟件支持可以實現以下功能：

（1）在局域網和廣域網內進行音視頻的電話對講；

（2）通過多媒體娛樂功能可以播放MPEG4視頻和MP3、WMA音樂；

（3）支持email服務；

（4）支持軟鍵盤和手寫輸入；

（5）可外接鍵盤和鼠標。

4 相關說明

4.1 語音編碼技術

語音通信是可視電話最基本的功能。然而，受網絡條件的限制，可視電話不可能占用太大的帶寬。為了適應低碼率語音通信的要求，ITU-T推出了G.72X系列語音壓縮標準。其中G.723.1、G.728、G.729和G.729A已在IP電話中得到了廣泛應用。不同的語音壓縮標準所采用的技術不同，它們可提供不同的碼率、時延和語音質量。

4.2 視頻編碼技術

原始的視頻數據需要占用非常高的帶寬。因此，如果要通過網絡傳輸，必須通過壓縮技術盡量降低視頻資料的碼率，以適應不同的網絡條件。事實上，視頻壓縮算法的效率決定著可視電話的圖像質量和應用前景。

4.3 通信協議

為保證可視電話通過網絡進行可靠的通信，不同的終端必須運行統一的通信控制協議，以保證相互協同工作。ITU-T推出的H.320/323標準是面向不同網絡、不同網絡介面，不同信令過程、以及為適應不同網絡而優化設計的包結構。其中復用協定規定了視頻資料、語音資料等的打包標準，而控制協定的作用則是在終端之間協商通信方式，如視頻編碼標準的協商，語音編碼標準的協商，通道帶寬的協商等。基于以太網的可視電話通常采用H.323控制協議。

5 結束語

家庭網關做為家庭網絡中最重要的一個設備，它連接著家庭網絡與運營商，因此，對于家庭網絡的開展至關重要。本文基于華恒科技的HHBF561開發板所設計的嵌入式家庭網關平臺，提出了兩種家庭網關設計方法，并對可實現的功能進行了描述。

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